Список тематических статей

Сферолиты

Понятие и общие сведения

Понятие «Сферолит» происходит от греческих слов «сфера» и «камень» и означает кристаллическую область более или менее круглой формы, которая встречается в окружающей среде в форме шароподобных элементов радиально-лучистого строения. В мире минералов ее состав обычно входят тонкие игольчатые кристаллы. В природе такое явление можно наблюдать невооруженным глазом в различных магматических и осадочных породах.

Под минеральными сферолитами обычно понимают подобные друг другу сложные формы, состоящие из волокнистых, игольчатых, столбчатых, пластинчатых и т.д. кристаллов, располагающихся вокруг условного центра. Наиболее известный пример одной из таких форм — шарообразные почковидные выделения малахита (см. рис.1).

Рис.1.

Сферолиты в полимерах

Несмотря на то, что рассматриваемое понятие наиболее часто употребляется при описании неорганических веществ, в области органической химии оно также нашло свое место, причем наиболее часто – в области изучения высокомолекулярных соединений.

В мире пластмасс и эластомеров, в отличие от минералов, сферолиты представляют собой сферообразные полукристаллические области в массе того или иного не разветвленного полимера. Они образовываются в ходе кристаллизации полимерных материалов из расплавов при их охлаждении (см. рис.2).

Рис.2.

Образование и рост сферолитов в высокомолекулярных соединениях зависит от следующих параметров:

1. Количество центров роста кристаллов.

2. Структура макромолекул.

3. Скорость охлаждения.

4. Прочие факторы.

Их размеры, форма и структура могут существенно отличаться в зависимости от перечисленных факторов. В частности, например, их диаметр может быть равен и нескольким микрометрам, и величине порядка 10 мм.

Полимерные сферолиты состоят из областей, известных под именем «ламели». Они являются наиболее упорядоченными и высокоплотными структурами в составе высокомолекулярного соединения. Кристаллические ламели, как правило, не образуют сплошной среды, а соединяются более рыхлыми аморфными промежутками. Если ламели придают материалу прочность и хрупкость, то аморфные участки отвечают за эластичность и стойкость к ударам.

В случае быстрого понижения температуры расплава линейного полимера его макромолекулы ориентируются случайным образом, занимают хаотическое положение в пространстве, переплетаются и т.п., то есть получают неупорядоченную «замороженную» структуру. Другая картина наблюдается при медленном охлаждении линейного высокомолекулярного соединения. При этом некоторые макромолекулы выстраиваются в сравнительно упорядоченную структуру и могут формировать так называемые кристаллические пластинки.

Как было сказано ранее, размеры сферолитов могут очень различаться, этот параметр можно регулировать при помощи процесса нуклеации. Резкое охлаждение материала, а также ввод в систему различных зародышеобразователей, например минеральных добавок, наполнителей, примесей и т.д. создает больше число центров кристаллизации полимера. В этом случае сферолитных образований становится больше, а их размер соответственно мельче. При более чистом высокомолекулярном соединении и более плавном понижении температуры сферолиты в свою очередь вырастают гораздо больше по размеру при небольшом их количестве.

Любопытно, что та же самая добавка в одном полимере может вызывать образование большого количества дополнительных центров кристаллизации, а в другом – нет. Этот процесс еще требует своего дополнительного изучения. Известно, что эффективными зародышеобразователями могут служить такие соединения, как, например, органические соли металлов.

Свойства

Внешний вид, как и физико-механические характеристики пластиков во многом определяет их области применения. Большинство основных их свойств определяется внутренней молекулярной структурой. В случае наличия в полимерном материале кристаллической фазы, его свойства получают некоторые общие особенности.

Кристаллическая фаза придает полимеру более высокую твердость с одновременно повышенной хрупкостью. Наличие ламелей и сферолитов делает его более плотным, прочным, в частности, на разрыв, повышает модуль Юнга высокомолекулярного соединения. Одновременно повышаются некоторые другие физико-механические характеристики.

Изменения механических характеристик при сферолитной кристаллизации существенным образом зависит от диаметра и плотности последних. Как правило, улучшение механических характеристик материала, например предела прочности при растяжении, предела текучести и вязкости, нивелируется с дальнейшим увеличением их размера. При этом склонность полимера к хрупкости, напротив, еще более нарастает.

Важно отметить, что рассматриваемый материал, как минерал, так и полимер, обычно имеет лучшие оптические характеристики, чем его аморфный аналог. Это обуславливается упорядоченным положением частиц в кристаллах любого типа. Несмотря на этот факт важно помнить, что стекла, как неорганические, так и органические не относятся к рассматриваемым материалам и обладают аморфной структурой. Такие соединения находятся в так называемом стеклообразном состоянии вещества.